I reattori, dove vengono sintetizzati i prodotti chimici, variano da pochi cm3 a vaste strutture che spesso vengono raffigurate nelle fotografie di impianti industriali. Per esempio, i forni che producono calce da calcare possono essere alti 25 metri e contenere, in ogni momento, oltre 400 tonnellate di materiale.
La progettazione del reattore dipende da molti fattori in particolar modo dalla termodinamica e dalla cinetica delle reazioni . Ci sono due tipi di reattori che sono chiamati reattori in discontinuo ed in continuo.
Reattori in discontinuo
I reattori in discontinuo vengono utilizzati per la maggior parte delle reazioni in laboratorio. I reagenti sono posti dentro una provetta, una beuta o un becher. Vengono miscelati insieme, spesso riscaldati affinché la reazione abbia inizio e poi raffreddate. I prodotti vengono poi riversati e se necessario, purificati. Questa procedura è condotta anche nell’industria, la differenza tra i due processi sta nella dimensione del reattore e nella quantità dei reagenti.
Seguendo la reazione, il reattore viene pulito, pronto per un altro lotto di reagenti da aggiungere.
I reattori in discontinuo sono solitamente impiegati dalle compagnie che vogliono produrre un ampio intervallo di prodotti che includono diversi reagenti e diverse condizioni di reazione. Si possono così usare le stesse apparecchiature per le stesse reazioni.
Esempi di processo che usano reattori in discontinuo inclusa la produzione di coloranti e margarina.
Figura 2. Coloranti che vengono prodotti in un reattore discontinuo. La sommità del reattore è a livello del solaio ed il resto del reattore è sospeso al di sotto. Per gentile concessione della BASF
Reattori in continuo
Un’alternativa al reattore discontinuo è alimentare i reagenti in continuo nel reattore ad un punto, permettendo che la reazione abbia luogo e che i prodotti vengano prelevati da un altro punto.
Ci deve un uguale velocità di flusso dei reagenti e dei prodotti. Poiché i reattori continui sono raramente usati in laboratorio, nel processo continuo devono essere aggiunti degli addolcitori d’acqua. L’acqua dura dalle linee di alimentazione passa attraverso i tubi contenenti resine a scambio ionico. La reazione si verifica nella parte inferiore del tubo e l’acqua addolcita viene espulsa fuori.
Figura 3. Illustrazione di un reattore continuo
I reattori continui sono normalmente installati quando devono essere sintetizzati grandi quantità di prodotti. È importante che un reattore possa operare per parecchi mesi senza fermarsi.
Il tempo di permanenza in un reattore è controllato dalla velocità di alimentazione dei reagenti nel reattore. Per esempio, se un reattore ha un volume di 20 m3 e la velocità di alimentazione dei reagenti è 40 m3/ora il tempo di permanenza è calcolato come 20 m3/40 m3ora-1= 0.5 ora.
È semplice controllare la velocità di flusso dei reagenti. Il volume è fissato e pertanto il tempo di permanenza è anche ben controllato.
Il prodotto tende ad essere di qualità più consistente in un reattore continuo poiché i parametri di reazione (ad esempio tempo di permanenza, temperatura e pressione) sono controllati meglio rispetto ai processi nei reattori discontinui.
Producono inoltre meno rifiuti e richiedono uno spazio per il deposito sia della materia prima minore che dei prodotti risultanti secondo un processo più efficiente. I costi di capitale per tonnellata del prodotto sono conseguentemente più bassi. Il principale svantaggio è la perdita di flessibilità poiché una volta che il reattore è stato costruito solamente in rari casi può essere modificato per eseguire altre reazioni chimiche.
Tipi di reattori continui
L’industria usa parecchi tipi di reattori continui.
a) Reattori Tubolari
In un reattore tubolare, i fuidi (gas e/o liquidi) scorrono ad alte velocità. Non appena i reagenti iniziano a fluire, per esempio lungo il tubo riscaldato, vengono convertiti in prodotti (Figura 4). A queste alte velocità, i prodotti non sono in grado di diffondersi ed il mescolamento è poco o inesistente. Le condizioni sono riferite ad una corrente a stantuffo. Questo riduce l’insorgere di reazioni laterali e aumenta la resa dei prodotti desiderati.
A velocità costante, le condizioni rimangono costanti in ogni punto ed in ogni momento e i cambiamenti del tempo nella reazione sono misurati in termini di posizione lungo il tubo.
La velocità di reazione è più alta all’ingresso del tubo perché è maggiore la concentrazione dei reagenti e la velocità di reazione diminuisce man mano passa attraverso il tubo dovuta alla diminuzione della concentrazione dei reagenti.
Figura 4. Un reattore tubolare usato per la produzione di metil-2-metilpropenoato. Il reattore è riscaldato con vapore ad alte pressioni che ha una temperatura di 470 K ed è alimentato dentro il reattore al punto 1 e lascia il reattore al punto 2. I reagenti fluiscono attraverso i tubi.
I reattori tubolari sono usati per esempio nello steam cracking dell’etano, propano e butano e nafta per produrre alcheni.
b) Reattori a letto fisso
Il catalizzatore eterogeneo è usato nell’industria quando i gas scorrono attraverso un catalizzatore solido (che è spesso nella forma di palline per aumentare l’aria superficiale). È spesso descritto come catalizzatore a letto fisso (Figura 5).
Tra gli esempi figurano la produzione di acido solforico (metodo per contatto, con Ossido di Vanadio (V) come catalizzatore, la produzione di acido nitrico e la produzione di ammoniaca (Processo Haber con ferro come catalizzatore).
Figura 5. Illustra un catalizzatore a letto fisso
Un ulteriore esempio di reattore a letto fisso è rappresentato dal reforming catalitico della nafta per produrre alcani a catena ramificata, cicloalcani e idrocarburi aromatici usando platino, o una lega di platino-renio su un supporto di allumina.
c) Reattori a letto fluido
Un reattore a letto fluido è usato qualche volta come un mezzo nel quale le particelle di catalizzatore, che sono molto fini, giacciono su una piastra distributrice.
Quando i reagenti gassosi attraversano la piastra distributrice, le particelle sono trascinate con il gas formando un fluido (figura 6). Questo assicura un buon miscelamento dei reagenti con il catalizzatore, con un contatto molto alto tra le molecole del gas e il catalizzatore e un buon trasferimento di calore. Questo risultato in una rapida reazione ed in una miscela uniforme, riducendo le variabili delle condizioni di processo.
Un esempio dell’uso del reattore a letto fluido è l’ossiclorurazione dell’etilene a cloruro di etilene (cloruro di vinile), la carica per il polimero ( policloroetilene) PVC. Il catalizzatore è cloruro di rame (II) e cloruro di potassio depositato su una superfice di allumina. Questo supporto è buono perché agisce come fluido quando i gas lo attraversano.
Figura 6. Uno schema per illustrare un reattore a letto fluido. Sul lato sinistro le particelle sono a riposo. Sul lato destro le particelle sono attive, nel momento in cui i gas reagenti attraversano il solido.
Un altro esempio di cracking catalitico di gasolio per produrre alcheni ( etilene e propilene) e benzina ad alto numero di ottano.
Figura 7. Un cracker catalitico usato per produrre alcheni da gasolio.
Un catalizzatore di silice e allumina viene usato ma le particelle sottili di carbonio vengono rapidamente depositate sulla sua superfice ed il catalizzatore diventa subito inefficace. Il catalizzatore, ancora come fluido, viene rigenerato, appena passa in un secondo serbatoio dove viene riscaldato fortemente in aria (qualche volta con l’aggiunta di ossigeno) bruciando carbonio (Figura 7) e poi ritornata nella zona di reazione e miscelata con gasolio.
Figura 8 Parte del cracker catalitico a Fawley nel sud dell’Inghilterra.
1. Colonna di frazionamento per rimuovere e recuperare i butani
2. Rigeneratore del Catalizzatore
3. Colonna di frazionamento per rimuovere e recuperare l’etano
Per gentile concessione di Exxxon Mobil ed la fotografia di Pail Carter
Questi reattori sono più grandi di quello a letto fisso e più costosi da costruire. Tuttavia, è più facile controllare in maniera più efficiente le condizioni ed il processo.
d) Reattori con serbatoio a rimescolamento, CSTR
In un CSTR uno o più reagenti, per esempio in una soluzione o in un impasto refrattario semiliquido, vengono introdotti in reattore equipaggiato da una ventola (un mescolatore) e i prodotti sono rimossi continuamente. La ventola mescola i reagenti vigorosamente per assicurare un buon mescolamento così da avere una composizione uniforme dappertutto.
La composizione all’uscita è la stessa come nella massa dentro al reattore. Queste sono esattamente le opposte condizioni rispetto ai reattori a flusso tubolare dove non c’è virtualmente un mescolamento dei reagenti e dei prodotti.
Figura 9. Un diagramma di linea che illustra un reattore con serbatoio a rimescolamento
Uno stato stazionario viene raggiunto quando il flusso in entrata è uguale al flusso in uscita, altrimenti il serbatoio si svuoterebbe o strariperebbe. Il tempo di permanenza è calcolato dividendo il volume per la portata media volumetrica del serbatoio. Per esempio se il flusso dei reagenti è 10 m3/h ed il volume del reattore è 1m3, il tempo di permanenza è 1/10 di un’ora cioè 6 minuti.
Figura 10. Un reattore con serbatoio a rimescolamento per fare il polietilene in massa. Per gentile concessione della Total.
Un reattore CSTR è usato, per esempio nella produzione di intermedi di reazioni di ammidi nel processo per produrre metil-2- propenoato. Acido solforico e 2-idrossi-2-metilpropanonitrile sono caricati nel serbatoio ad una temperatura di 400 K. Il calore generato dalla reazione è rimosso con il raffreddamento ad acqua attraverso delle spirali ed un tempo di permanenza di 15 minuti.
Un variante del CSTR è il reattore a circuito (loop) che è relativamente semplice ed economico da costruire (Figura 11). Nel diagramma solamente un loop è mostrato. Comunque il tempo di permanenza nel reattore è impostato a seconda dalla modifica della lunghezza o il numero di loop del reattore.
Figura 11. Un diagramma di linea che mostra un reattore a loop usato nella produzione del polietilene.
I reattori a loop vengono impegati per esempio nella produzione del polietietilene e del polipropilene. L’etilene (o il propilene) e il catalizzatore sono mescolati, sotto pressione, con un diluente, solitamente un idrocarburo. Un’emulsione viene prodotta, emulsione che viene riscaldata e fatta circolata attorno al loop. Particelle del polimero raccolte in fondo ai rami del loop, con alcuni idrocarburi diluenti, sono continuamente rilasciate dal sistema. Il diluente evapora lasciando il polimero solido e poi raffreddato per riformare un liquido e fatto passare dietro attraverso un sistema a loop, con la il ricircolo dell’idrocarburo.
Scambiatori di calore
Molte reazioni chimiche sono più veloci a più alte temperature e scambiatori di calore sono frequentemente impiegate per produrre il calore necessario per il raggiungimento della temperatura di reazione.
Un comune scambiatore di calore è un cilindro cavo e un tubo tipo (Figura 12 e Figura 13) dove una parte del processo fluisce attraverso un tubo e l’altra parta attorno al cilindro cavo.
Un buon esempio dove lo scambiatore di calore è importante è nella produzione del triossido di zolfo nel Processo a Contatto dove l’eccesso di calore è usato per riscaldare i gas in ingresso.
Il calore dalla reazione è trasferito ai gas in ingresso attraverso una parete con schermi d’acqua (figura 12) e la velocità di trasferimento del calore è proporzionale:
- la differenza di temperatura tra i gas caldi e i gas in ingresso e
- l’area superficiale dei tubi
Figura 12. Illustrazione di uno scambiatore di calore impiegato nella produzione del triossido di zolfo
Pertanto la velocità di trasferimento dello scambiatore determinerà la dimensione dello scambiatore ma quando una reazione chimica ha luogo anche nello scambiatore (come accade nel reattore tubolare) è importante registrare il tempo di permanenza dei materiali (sia gas o liquidi) nello scambiatore di calore.
Figura 13. Questo scambiatore di calore è usato per il raffreddamento con acqua che entra dalla parete laterale al punto 1 e lascia lo scambiatore al punto 2. Il prodotto per essere raffreddato fluisce attraverso i piccoli tubi. Lo scambiatore è stato preso da uno fuori servizio per la pulizia dei tubi per migliorare l’efficienza del processo di raffreddamento.
Un altro esempio di scambiatore di calore è il condensatore alla sommità della colonna di distillazione. Qui il calore è dal vapore emergente alla sommità della colonna è rimosso dall’acqua di raffreddamento. Il vapore raffredda giù e condensa e la temperatura dell’acqua aumenta.
Alcuni sviluppi
Nel futuro molti prodotti chimici saranno prodotti in reattori la cui dimensione sarà circa quella di un desktop di un pc, noti come microreattori. Le dimensioni ridotte porteranno ad una riduzione dei costi nel capitale e una riduzione dei prodotti con la risultante di un processo più sicuro.
La temperatura può essere mantenuta (visto che è più grande la superficie per un dato volume). Questo permette un più efficiente trasferimento di calore dalla reazione alle vicinanze anche per reazione esotermiche come la nitrazione di un idrocarburo aromatico che può potenzialmente essere esplosiva.
C’è una notevole ricerca relativa allo sviluppo dei microreattori. Un esempio è la possibilità della conversione diretta dal benzene al fenolo. Una miscela di benzene e ossigeno è caricata attraverso un tubo di allumina riempito di palladio a circa 350-450 K ed il gas idrogeno passa al di sopra.
L’idrogeno permea attraverso il tubo di alluminio ed è convertito ad idrogeno atomico dal catalizzatore di palladio. Glia tomi di idrogeno reagiscono con ossigeno, rilasciando specie reattive di ossigeno, come radicali idrossili, che a giro reagiscono con il benzene per formare fenolo.
Un altro sviluppo è noto come il flusso oscillatorio miscelante. Gli Ingegneri chimici stanno progettando reattori dove i fluidi che devono reagire vengono fatti oscillare dentro un reattore con dei deflettori ad una frequenza tra 0.5 e 15 Hz con un’ampiezza da 1 mm a 100 mm. Questo permette un efficienza nel mescolamento dei reagenti e nel trasferimento del calore da trasferire in ambiente. Ciò comporta delle condizioni similari alle correnti a stantuffo che sono difficili da raggiungere con piccole quantità di materiali.
Ultimo aggiornamento 18 marzo 2013
Edizione italiana a cura di Giovanna Di Mauro e Valter Ballantini